全液壓巖心鉆機(jī)給進(jìn)機(jī)構(gòu)及其控制分析

何磊,馬福江,沈懷浦,臧臣坤

(中國(guó)地質(zhì)裝備總公司,北京100102)

1 引言

金剛石取心鉆進(jìn)技術(shù)和全液壓巖心鉆機(jī)是當(dāng)前固體礦床勘探的主導(dǎo)技術(shù)及裝備,在實(shí)際鉆探過(guò)程中,鉆壓、轉(zhuǎn)速和泵量為三個(gè)基本工藝參數(shù),其中,給進(jìn)鉆壓為核心要素,保護(hù)金剛石鉆頭、有效地碎巖取心,獲得最佳的機(jī)械鉆速,都取決于是否能夠得到穩(wěn)定的鉆壓控制。

近年來(lái),取心鉆探口徑、深度、地層復(fù)雜程度越來(lái)越大,對(duì)于全液壓鉆機(jī)的整體性能,尤其對(duì)于孔底鉆壓調(diào)控的要求越來(lái)越高。本文通過(guò)對(duì)全液壓巖心鉆機(jī)給進(jìn)機(jī)構(gòu)及其控制方式的分析,以探求在取心鉆進(jìn)過(guò)程中如何獲得高效、安全、穩(wěn)定、精準(zhǔn)的鉆壓。

一般條件下,鉆機(jī)給進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)滿足下列要求:

(1)可無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)鉆壓,獲取穩(wěn)定的孔底鉆壓;

(2)可以無(wú)級(jí)地均勻調(diào)節(jié)給進(jìn)速度;

(3)具有與動(dòng)力頭調(diào)速相對(duì)獨(dú)立的控制系統(tǒng);

(4)具有盡量長(zhǎng)的給進(jìn)行程,縮短輔助時(shí)間;

(5)具有足夠大的起拔能力,孔內(nèi)異常時(shí),能迅速并強(qiáng)力起拔鉆具;

(6)具有敏感的監(jiān)控系統(tǒng),能準(zhǔn)確迅速地反映孔內(nèi)情況。

2 液壓給進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

在鉆進(jìn)過(guò)程中對(duì)孔底鉆壓的控制比較復(fù)雜,鉆頭吃入深度、巖石破碎區(qū)和鉆頭壓力成正比,但壓力過(guò)大,將會(huì)產(chǎn)生鉆柱彎曲、鉆頭損壞,甚至因扭矩過(guò)大,造成脫扣、扭斷、燒鉆或胎體脫落等孔內(nèi)事故,或造成鉆孔偏斜等等。

一般情況下,為保證金剛石有效地破碎巖石,必須使金剛石接觸面上的單位壓力大于巖石的抗壓強(qiáng)度,單位壓力值小于金剛石的抗壓強(qiáng)度。例如,S75口徑的鉆頭軸向力根據(jù)不同巖層硬度應(yīng)控制在15000N范圍內(nèi),對(duì)于一個(gè)1000m乃至2000m深的鉆孔來(lái)說(shuō),即使是不考慮轉(zhuǎn)速、泵量和其他因素的影響,要控制十幾噸的鉆具最終在鉆頭上壓力要達(dá)到500N的量級(jí)精度都是很難實(shí)現(xiàn)的。鉆機(jī)的給進(jìn)形式有很多種,但只有油缸給進(jìn)才能達(dá)到準(zhǔn)確靈敏控制鉆壓的目的,所以目前金剛石巖心鉆機(jī)的給進(jìn)絕大多數(shù)都采用的是液壓油缸給進(jìn)的形式,下面介紹其中兩種結(jié)構(gòu)。

2.1 油缸直推給進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

鉆深能力在1500m(鉆桿直徑71mm)的中深孔全液壓動(dòng)力頭式巖心鉆機(jī)的給進(jìn)機(jī)構(gòu)通常采用液壓油缸直推的形式。圖1所示,給進(jìn)油缸安裝在桅桿內(nèi),活塞桿鉸接固定在桅桿底部,油缸筒與動(dòng)力頭托板固定,帶動(dòng)托板及動(dòng)力頭沿桅桿滑軌上下滑動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)卡盤和鉆具的給進(jìn)和提升。

給進(jìn)油缸行程3300mm,取心鉆具和鉆桿長(zhǎng)度為3000mm,可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)回次不倒桿連續(xù)取心鉆進(jìn),節(jié)省了輔助時(shí)間,大大提高了取心鉆進(jìn)的平穩(wěn)性,避免重復(fù)倒桿帶來(lái)的孔內(nèi)事故,提高了巖心采取率。

2.2 油缸—鏈條給進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 油缸直推給進(jìn)機(jī)構(gòu)

如圖2所示,當(dāng)液壓油缸無(wú)桿腔進(jìn)油時(shí),油缸推力通過(guò)定滑輪1、動(dòng)滑輪5及鏈條4傳遞給動(dòng)力頭及鏈條托板3,實(shí)現(xiàn)鉆具提升及減小鉆頭壓力的功能;同理,當(dāng)油缸有桿腔進(jìn)油時(shí),油缸拉力通過(guò)下定滑輪8、動(dòng)滑輪6及鏈條7傳遞給動(dòng)力頭3,實(shí)現(xiàn)鉆具下放及加壓。

圖2 油缸-鏈條給進(jìn)機(jī)構(gòu)

由于金剛石鉆進(jìn)工藝的要求,僅在淺孔時(shí)才使用加壓鉆進(jìn),鉆機(jī)大多數(shù)時(shí)間都在減壓鉆進(jìn),即要求無(wú)桿腔進(jìn)油,給進(jìn)機(jī)構(gòu)要托住孔內(nèi)所有鉆具和動(dòng)力頭的重量,孔越深要求的提升力越大,所以油缸大腔提升減壓、小腔給進(jìn)加壓的結(jié)構(gòu)最為合理。

在相同給進(jìn)行程的情況下,油缸-鏈條組合的給進(jìn)形式與油缸直推的形式相比,可以減少油缸一半的行程,有效減小給進(jìn)機(jī)構(gòu)的整體尺寸;而要實(shí)現(xiàn)相同提升 (加壓)力,油缸則要增大一倍的力量。這種機(jī)構(gòu)中動(dòng)力頭的位移和速度相應(yīng)為液壓油缸活塞的位移和速度的兩倍,故被稱為倍速機(jī)構(gòu)。

由中國(guó)地質(zhì)裝備總公司技術(shù)中心和安徽省地質(zhì)313隊(duì)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的 HCDF-6型全液壓巖心鉆機(jī),給進(jìn)機(jī)構(gòu)采用倍速機(jī)構(gòu)的方案。該鉆機(jī)既具備滿足加接單根和給進(jìn)的桅桿,又具備起下鉆需要的24m鉆塔。這種既結(jié)合了長(zhǎng)給進(jìn)行程無(wú)需倒桿、給進(jìn)平穩(wěn)的全液壓動(dòng)力頭式巖心鉆機(jī)的優(yōu)點(diǎn),又結(jié)合了高鉆塔起下鉆立根長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn),大大縮短了鉆進(jìn)的輔助時(shí)間,節(jié)約了鉆探成本,為深部找礦探索了一種新的方式。該鉆機(jī)已于2009年5月～2010年6月在安徽霍邱周集鐵礦深部找礦項(xiàng)目中完成了生產(chǎn)試驗(yàn),終孔深度2706.68m,創(chuàng)我國(guó)小口徑繩索取心鉆探最深記錄。

3 給進(jìn)機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)原理及控制分析

在鉆進(jìn)不同硬度地層時(shí),給進(jìn)系統(tǒng)能夠保持孔底穩(wěn)定的軸向壓力,使機(jī)械鉆速在正常的范圍內(nèi)自動(dòng)變化,是實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化鉆進(jìn)的前提。由于在使用常規(guī)金剛石鉆具進(jìn)行深孔取心鉆進(jìn)時(shí),絕大多數(shù)取心孔段都處于減壓鉆進(jìn)的工作狀態(tài),本文主要分析減壓鉆進(jìn)時(shí)對(duì)孔底鉆壓的控制。

3.1 給進(jìn)液壓系統(tǒng)比較與分析

如圖3所示,該給進(jìn)系統(tǒng)是通過(guò)定量泵1為給進(jìn)油缸6供油,溢流閥7調(diào)節(jié)油缸壓力并起溢流作用。手動(dòng)換向閥2在左位時(shí),油缸小腔進(jìn)油,給進(jìn)處于加壓工況,若換向閥2換向至右位,油缸大腔進(jìn)油,小腔回油,給進(jìn)處于減壓工況,通過(guò)節(jié)流調(diào)速閥3可以控制給進(jìn)速度。這種通過(guò)調(diào)整閥開(kāi)口面積來(lái)控制油缸速度的方式,其實(shí)質(zhì)是通過(guò)節(jié)流作用改變回路的背壓大小,影響了孔底鉆壓來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)給進(jìn)速度的目的。所以在鉆進(jìn)過(guò)程中達(dá)到最佳機(jī)械鉆速時(shí),節(jié)流調(diào)速閥是不要頻繁調(diào)節(jié)的,只是在孔底巖層硬度有很大變化時(shí),機(jī)械鉆速超出正常范圍時(shí),才需要調(diào)節(jié)調(diào)速閥使鉆進(jìn)速度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

在稱重和減壓鉆進(jìn)時(shí),稱重鉆壓表顯示上腔壓力 p1,給進(jìn)過(guò)程中,調(diào)節(jié)溢流閥7可控制油缸上腔壓力 p1,從而控制孔底鉆壓。此時(shí)認(rèn)為油缸下腔壓力 p2為零,但在實(shí)際鉆進(jìn)過(guò)程中,由于背壓的存在,下腔壓力 p2也是存在的,而且,隨著巖層硬度的變化,油缸大、小腔的壓力也是在不斷變化的。顯然,在稱重及減壓鉆進(jìn)過(guò)程中都忽略了油缸下腔的壓力,所顯示的孔底鉆壓是不準(zhǔn)確的。

圖3 定量泵-旁路溢流閥調(diào)壓系統(tǒng)

這種給進(jìn)系統(tǒng)在立軸鉆機(jī)上普遍采用,采用稱重鉆壓表來(lái)顯示鉆具重量和鉆壓,操作方便、成本低廉。但在鉆進(jìn)過(guò)程中,由于進(jìn)尺速度很慢,只有很少一部分流量提供給液壓油缸,絕大多數(shù)流量都在高壓狀態(tài)下通過(guò)溢流閥流回油箱,造成功率損失、系統(tǒng)發(fā)熱、系統(tǒng)效率降低,減小液壓元件的使用壽命。

圖4所示的恒壓變量泵-先導(dǎo)減壓閥調(diào)壓系統(tǒng),與圖3所示系統(tǒng)不同之處在于,采用恒壓變量泵1,通過(guò)先導(dǎo)減壓閥2調(diào)節(jié)油缸壓力,油缸上下腔的壓力都由壓力傳感器實(shí)時(shí)采集,將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸送到控制器,通過(guò)運(yùn)算設(shè)定為“稱重”值,司鉆可通過(guò)鉆參儀直觀看見(jiàn)孔底鉆壓等鉆探參數(shù)。這種鉆參顯示使得液力驅(qū)動(dòng)和電子技術(shù)的調(diào)控相結(jié)合,隨著變頻控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)及各種傳感器技術(shù)的發(fā)展和完善,在巖心鉆機(jī)上實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能、操作方便的微機(jī)自控最優(yōu)化鉆進(jìn)是完全可以實(shí)現(xiàn)的。

圖4 恒壓變量泵-先導(dǎo)減壓閥調(diào)壓系統(tǒng)

新型的全液壓巖心鉆機(jī)一般都采用這種恒壓變量泵調(diào)壓系統(tǒng)。在鉆進(jìn)過(guò)程中,給進(jìn)壓力的大小由減壓閥出口壓力控制,而恒壓泵能根據(jù)負(fù)載變化提供與之變化相適應(yīng)的流量,并保持泵的出口壓力恒定。當(dāng)鉆進(jìn)負(fù)載變大,鉆進(jìn)速度變慢,所需流量減小時(shí),泵的出口壓力增大,使得恒壓控制閥閥芯克服閥內(nèi)彈簧力向右運(yùn)動(dòng),壓力油與控制變量機(jī)構(gòu)油缸右腔連通,推動(dòng)活塞向左運(yùn)動(dòng),泵排量減小,出口壓力降低到設(shè)定壓力;當(dāng)鉆進(jìn)負(fù)載變小,系統(tǒng)所需流量增大時(shí),泵出口壓力降低,恒壓控制閥的閥芯在彈簧力作用下向左運(yùn)動(dòng),控制油缸右腔與油箱連通,活塞右移,泵排量增大,出口壓力升高至設(shè)定壓力。因此,與定量泵-溢流閥調(diào)壓系統(tǒng)比較,該系統(tǒng)能根據(jù)負(fù)載變化自動(dòng)的調(diào)節(jié)給進(jìn)流量,維持鉆壓穩(wěn)定,滿足給進(jìn)機(jī)構(gòu)持續(xù)穩(wěn)定的性能要求,避免了溢流損失,提高了系統(tǒng)的效率。

3.2 鉆壓的控制方法

減壓鉆進(jìn)工況時(shí),力的平衡條件為:

式中:P——鉆壓,N;

q——每米鉆柱的重力,N/m;

L——鉆柱長(zhǎng)度,m;

k——考慮摩擦力、泥漿浮力等擾動(dòng)系數(shù);

p1,p2——油缸上、下腔的壓力,Pa;

F——液壓缸活塞的面積,m2;

f——活塞桿的面積,m2。

影響鉆壓的因素包括:孔壁摩擦力、鉆具浮力、泵量、油缸上、下腔的壓力。在孔內(nèi)鉆具情況相同,鉆柱轉(zhuǎn)速相同,泥漿比重、泵量 (泵壓)相同而且油缸給進(jìn)速度相同的情況下,我們認(rèn)為孔壁摩擦及浮力等擾動(dòng)因素對(duì)鉆壓的影響是一樣的,如果在以上條件相同的情況下稱重,所獲得稱重值設(shè)為G,則孔底鉆壓公式可簡(jiǎn)化為:

正確的稱重方法:將鉆具提離孔底,模擬到正常鉆進(jìn)時(shí)的狀況,這個(gè)時(shí)候“稱重”是最準(zhǔn)確的。稱重值 G=p1F-p2(F-f)。設(shè)定稱重值后,當(dāng)鉆頭接觸孔底,調(diào)整壓力控制閥,傳感器采集油缸壓力,控制器通過(guò)計(jì)算并將鉆壓值顯示在鉆參儀上,地層情況基本穩(wěn)定情況下,油缸上下腔壓力在不斷變化,從而鉆壓也在小范圍內(nèi)波動(dòng),通過(guò)數(shù)據(jù)模糊處理,在鉆參儀上仍可顯示為一個(gè)穩(wěn)定的鉆壓值。

當(dāng)孔底鉆壓 P相對(duì)恒定時(shí),機(jī)械鉆速?zèng)Q定于巖石的可鉆性。當(dāng)巖石硬度變軟,鉆速會(huì)瞬時(shí)增加,大于油缸給進(jìn)速度,由于給進(jìn)速度不平衡使鉆具懸吊而降低了瞬時(shí)孔底鉆壓。當(dāng)鉆壓恢復(fù)到初始值時(shí),鉆進(jìn)速度在新的水平上達(dá)到平衡。反之,巖石硬度變硬,鉆速會(huì)瞬時(shí)減小,小于給進(jìn)速度,孔底鉆壓瞬時(shí)增大。當(dāng)鉆壓恢復(fù)到 P時(shí),鉆進(jìn)速度較以前降低的水平達(dá)到平衡。

圖5 某型號(hào)深孔巖心鉆機(jī)鉆參儀顯示界面

4 總結(jié)

能最大限度精確、方便地控制孔底鉆壓,實(shí)現(xiàn)“恒壓”鉆進(jìn),在孔底巖石硬度有很大變化,機(jī)械鉆速不在理想范圍時(shí),又能及時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)速度和孔底鉆壓,是對(duì)巖心鉆機(jī)給進(jìn)系統(tǒng)的要求。采用恒壓變量泵—先導(dǎo)減壓閥給進(jìn)控制系統(tǒng),油缸給進(jìn)的結(jié)構(gòu)形式,經(jīng)過(guò)生產(chǎn)檢驗(yàn),是一種節(jié)能、穩(wěn)定的給進(jìn)方式。經(jīng)過(guò)正確的稱重,鉆參儀直觀的參數(shù)顯示,有利于準(zhǔn)確控制鉆壓。

在深孔鉆進(jìn)時(shí),采用油缸倍速給進(jìn)機(jī)構(gòu)給進(jìn)、高塔起下鉆具的分體布置形式,實(shí)現(xiàn)了給進(jìn)行程不變的情況下,即簡(jiǎn)化給進(jìn)機(jī)構(gòu)、縮短油缸尺寸,又能減小起下鉆輔助時(shí)間的目的,是深孔鉆機(jī)很好的給進(jìn)形式。

深孔和超深孔鉆機(jī)給進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),也可以參考石油鉆機(jī)盤剎給進(jìn)送鉆的形式,即甩掉笨重的給進(jìn)油缸又可以增加給進(jìn)行程,用卷?yè)P(yáng)給進(jìn) (送鉆)可以大大簡(jiǎn)化鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)。雖然在石油鉆機(jī)的盤剎自動(dòng)送鉆技術(shù)已很成熟,但由于石油鉆機(jī)和地質(zhì)巖心鉆機(jī)的鉆探工藝不同,石油鉆機(jī)盤剎的尺寸和制動(dòng)能力比地質(zhì)巖心鉆機(jī)都大,照搬是不現(xiàn)實(shí)的,而且盤剎控制系統(tǒng)復(fù)雜價(jià)格昂貴,在現(xiàn)在的巖心鉆探設(shè)備上推廣有難度。但是只要吸收盤剎給進(jìn)的技術(shù),開(kāi)發(fā)適合地質(zhì)鉆探設(shè)備要求的盤剎給進(jìn)送鉆系統(tǒng),降低成本,這種給進(jìn)形式還是有很大優(yōu)勢(shì)的。

微機(jī)控制自動(dòng)鉆進(jìn)是今后巖心鉆機(jī)的發(fā)展方向,隨著社會(huì)的進(jìn)步,減小鉆探工人勞動(dòng)強(qiáng)度,增加操控舒適性,減小安全事故成為地質(zhì)鉆探的必然要求。計(jì)算機(jī)技術(shù)、新型液壓技術(shù)及傳感器技術(shù)的發(fā)展,也為改變現(xiàn)在我國(guó)地質(zhì)鉆探業(yè)粗放型的現(xiàn)狀提供有利的技術(shù)保障?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)已有中深孔鉆機(jī)配備了鉆參顯示系統(tǒng),并使用電比例控制的液壓系統(tǒng),使控制更加方便準(zhǔn)確。一些企業(yè)的技術(shù)人員和科研院校正在開(kāi)發(fā)、試驗(yàn)微機(jī)控制的自動(dòng)鉆進(jìn)系統(tǒng),可以進(jìn)一步減輕工人勞動(dòng)輕度,實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的鉆進(jìn)。希望智能自動(dòng)鉆進(jìn)控制技術(shù)能早日成熟穩(wěn)定,推向市場(chǎng)。

[1] 李世忠.巖心鉆機(jī)改進(jìn)的一些設(shè)想 [J].探礦工程,2000(5):11-13.

[2] 楊惠民.鉆探設(shè)備 [M].北京:地質(zhì)出版社,1988.